Menu

Twardość tworzyw sztucznych:

Pojęcie twardości odnosi się do dwu wzajemnie niezależnych właściwości fizycznych: do zdolności do wzajemnego rysowania się (twardość Mohsa) i oporu stawianego przez materiał w czasie prostopadłego wciskania w jego powierzchnię odpowiedniego "wgłębnika" przy zastosowaniu takich nacisków, aby wystąpiło odkształcenie trwałe. Jako wgłębnik stosuje się elementy znormalizowane, takie jak: kulki, stożki lub ostrosłupy. Metody oznaczania twardości tworzyw sztucznych dzieli się na dwie grupy w zależności od tego, czy badane tworzywo ma temperaturę zeszklenia (Tg) powyżej temperatury normalnej eksploatacji, czy też jest to tworzywo wysokosprężyste, dla którego Tg leży poniżej zakresu temperatury normalnej eksploatacji. Twardość obu grup tworzyw oznacza się innymi metodami, tak dalece różnymi, że metod przydatnych dla jednej grupy nie można stosować dla grupy drugiej. Różne metody pomiaru twardości są między sobą tylko w przybliżeniu porównywalne, dlatego przy podawaniu twardości należy zawsze podawać dodatkowe parametry badania, jak: temperaturę otoczenia, grubość próbki, czas nacisku itd. Do pomiaru twardości tworzyw stosuje się ogólnie znane metody: Brinella, Vickersa i Rockwella.

Metody badań twardości:

1. Metoda Brinella.

Twardość w tej metodzie jest definiowana jak przy badaniu twardości metali. Badanie polega na wciskaniu w tworzywo stalowej kulki. Po upływie pewnego czasu ustala się stan równowagi, w którym wzrastająca powierzchnia odcisku równoważy działanie wywierane przez wgłębiającą się kulkę. Twardość określa się ze wzoru: 

HB=P/F (N/m²)

gdzie:
P - zastosowane obciążenie (N), F - powierzchnia odcisku (m²).
Ten sposób pomiaru można stosować dla tworzyw, których powrót poodkształceniowy jest na tyle powolny, że można dokonać pomiaru powierzchni odcisku po zdjęciu obciążenia. Dla wielu tworzyw niemożliwe jest przyjęcie za podstawę obliczenia twardości średnicy odcisku, ze względu na zbyt szybki powrót poodkształceniowy, dlatego pomiar twardości prowadzi się, mierząc głębokość odcisku h przy trwającym obciążeniu za pomocą czujnika sprzężonego z wciskaną kulką. Twardość oblicza się, wykorzystując zależność głębokości i powierzchni odcisku:

HB=P/ΠDh (N/m²)

gdzie:
D - średnica kulki (m),
h - głębokość odcisku (m), 
P - obciążenie (N).
W metodzie tej wyniki są powtarzalne jedynie dla określonych głębokości odcisku. Przy małych głębokościach odcisków warstwa powierzchniowa może zniekształcić wynik, gdyż przy głębokościach -1/2 D opór stawiany przez tworzywo maleje. Pomiar twardości metodą Brinella stosuje się prawie do wszystkich rodzajów tworzyw sztucznych.

2. Metoda Vickersa.

Metodą tą przeprowadza się pomiary makro- i mikrotwardości. Wgłębnikiem w tej metodzie jest ostrosłup o kwadratowej podstawie i kącie dwu-ściennym 136°. Twardość liczy się ze wzoru:

HV=1,8544P/α²  (N/m²)

gdzie:
P - zastosowane obciążenie (N),
α - średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku (m).

Metoda ta ma ograniczone zastosowanie w badaniu twardości tworzyw sztucznych, ponieważ bardzo często obwódka odcisku przyjmuje kształt o bardzo ostrych narożach, co uniemożliwia dokładny pomiar przekątnych.

3. Metoda Rockwella.

W metodzie tej wciska się stalową kulkę w powierzchnię tworzywa, przy czym stosuje się obciążenie wstępne 98,07 N, zwiększane stopniowo do obciążenia właściwego. Następnie zmniejsza się obciążenie do obciążenia wstępnego i odczytuje wartość twardości jako pozostające po obciążeniu odkształcenie trwałe. W metodzie Rockwella istnieją cztery skale dla tworzyw sztucznych (tabela niżej), zależnych od średnicy zastosowanej kulki pomiarowej i wielkości obciążenia. Otrzymane wyniki w różnych skalach nie są wzajemnie przeliczalne.

4. Metoda Schoppera.

Metoda ta jest odmianą metody Brinella i służy do pomiaru twardości tworzyw gumopochodnych. Pomiar przeprowadza się kulką o średnicy 1 cm i obciążeniu 1kG, mierząc głębokość odcisku, nie usuwając obciążenia. Twardość oblicza się ze wzoru : 

H=1,05/Πh (N/m²)

gdzie:
h - głębokość odcisku.
Badanie wykonuje się aparatem Schoppera. Aparatem tym można mierzyć twardość materiałów, dla których głębokość odcisku kulki o średnicy 1 cm, pod obciążeniem 1 kG, nie wynosi więcej niż 2 mm. Próbki do pomiaru powinny mieć grubość co najmniej 6 mm. Środek miejsca odcisku nie powinien znaleźć się bliżej niż 10 mm od krawędzi próbki. Aparat zeruje się po umieszczeniu próbki na stoliku aparatu pod wstępnym obciążeniem 50 G korpusem aparatu. Po włączeniu obciążenia 1kG na skali odczytuje się po 10s. Wyniki pomiarów metodą Schoppera podaje się w stopniach miękkości. Za jeden stopień miękkości przyjmuję się zagłębienie kulki o 0,01mm. Skala aparatu dopuszcza pomiary do 2mm wgłębienia, dlatego zakres miękkości wynosi od 0 stopni do 200 stopni.